原文链接:https://chinaxiv.org/abs/202605.00224

知乎链接:https://www.zhihu.com/question/2042176040638707165

背景:芯片行业过去是怎么进步的?

你手里的手机、电脑、AI服务器,核心都是芯片。芯片里最基本的元件叫晶体管(Transistor)——你可以把它想象成一个微观的”电子开关”,开关一次就完成一次计算。一颗现代手机芯片里有几百亿个这样的开关。

过去60年,整个行业进步的方式非常简单粗暴:把晶体管做得越来越小。

这就是大名鼎鼎的摩尔定律(Moore’s Law)——1965年戈登·摩尔提出,芯片上的晶体管数量大约每两年翻一倍。后来IBM的丹纳德又补充了丹纳德缩放定律(Dennard Scaling),说明把晶体管按比例缩小时,功耗也能同步降低。

晶体管越小的好处:

  • 同样面积能塞下更多开关 → 算力更强
  • 开关之间距离更短 → 速度更快
  • 每个开关耗电更少 → 更省电

行业里说的”7纳米”“5纳米”“2纳米”,指的就是晶体管的特征尺寸——数字越小,工艺越先进。

当前问题:这条路走不动了

原因:

  • 物理极限逼近:晶体管已经小到接近原子尺度,再缩小越来越难
  • 成本爆炸:制造2纳米芯片,单颗设计成本超过10亿美元
  • 性价比反转:以前是越先进越便宜,现在反过来了,越先进越贵
  • EUV光刻机(极紫外光刻机,制造先进芯片的关键设备)极其昂贵

核心创新:τ缩放理论(Time Scaling)

何庭波团队提出:我们其实从来不是真的需要更小的晶体管,我们真正想要的是更快的速度。

晶体管变小只是一种手段,目的是让信号传输更快、计算更迅速。所以与其盯着”空间”(晶体管多小),不如直接盯着”时间”(系统多快)。

τ(希腊字母tau)就是用来衡量”时间”的统一指标。论文把整个计算系统分成四层,每层都有自己的τ:

层级 τ的含义 时间尺度
晶体管层 单个开关切换需要多久 皮秒(万亿分之一秒)
电路层 信号在导线上传输的时间 纳秒(十亿分之一秒)
芯片层 芯片内部完成计算+访问内存的时间 微秒(百万分之一秒)
系统层 整个系统响应任务的时间 秒

这12个数量级的时间尺度(从皮秒到秒),过去每一层都各自优化。新思路是:用同一把尺子(τ)衡量整个系统,统一优化目标。

第一个实战案例:LogicFolding(逻辑折叠)

在知乎上,我看到有人描述这是比较关键的创新

这是论文最具体的成果,已经用在了麒麟2026芯片上。

原理:从”平铺”到”立体堆叠”

传统芯片像一个平面城市,所有晶体管摊在一层硅片上,靠金属导线连接。电信号在长长的导线里传播会有延迟——这叫RC延迟(R是电阻Resistance,C是电容Capacitance,导线越长RC越大,信号越慢)。

LogicFolding的做法:把芯片折叠成多层楼。把数字电路、模拟电路、存储电路分别放在垂直堆叠的不同层上,层与层之间用一种叫混合键合(Hybrid Bonding)的技术超精细地连接起来。

打个比方:以前在一个大平层办公室里,从这头走到那头要走很远;现在改成多层楼,上下楼层之间装电梯,距离反而更短了。

几个关键技术名词

  • 混合键合(Hybrid Bonding):在两片硅片之间形成超细密的电气连接,麒麟2026做到了1.5微米间距
  • TSV(Through-Silicon Via,硅通孔):穿过硅片的垂直导电通道,相当于楼层之间的”电梯”
  • SoC(System on Chip,系统级芯片):把CPU、GPU、内存控制器等都集成在一颗芯片上,手机芯片都是SoC
  • SRAM(静态随机存储器):芯片内部的高速缓存

麒麟2026的实际成果

  • 晶体管密度从155提升到238 MTr/mm²(每平方毫米百万晶体管),一代提升55%——这相当于过去用三代工艺缩放才能达到的提升
  • 功效提升41%,最高频率提升13%
  • SRAM频率提升40%以上
  • CPU主频回到3.1 GHz,预计2029年达到4 GHz

关键是:这一切是在工艺节点不变的前提下做到的——没用更先进的光刻机,而是改变了芯片的”三维结构”。

第二个战场:AI数据中心

如果说手机芯片是”一颗芯片就是一个系统”,AI数据中心就是另一个极端:几千颗芯片当作一台机器用。

一个反直觉的事实

现代AI系统里:

  • 超过80%的电能消耗在”搬运数据”上,而不是计算
  • 超过70%的成本花在存储上

也就是说,AI芯片大部分时间不是在算,而是在等数据从内存搬过来。所以减少”数据搬运时间”比加快”计算时间”更重要。

三件套解决方案

1. Unified Bus(UB,统一总线)

传统系统里,数据要经过多层协议转换:PCIe → NVLink → 以太网 → 软件协议栈……每转换一次都要花时间。UB是一个统一的协议,所有芯片之间直接对话,把远程访问延迟从几十微秒降到100纳秒左右——快了约500倍。

2. Hi-ONE(高密度光互连引擎)

芯片之间的数据传输,传统用铜线(电信号)。但速度上去后,铜线就不够用了——线太粗、传不远、太热。

Hi-ONE改用光信号:在芯片旁边放一个光模块,电信号转成光信号在光纤里传输。带宽达到8 Tb/s(每秒8万亿比特),传输距离从1米以内扩展到100米——这意味着可以建超大规模的数据中心。

3. 3D Folding(三维折叠)解决”N²ν.s N”难题

这是个深刻的几何问题:

  • 芯片的计算能力跟面积成正比,按N²增长(N是边长)
  • 但内存带宽、电力供应、对外连接都从芯片边缘走,只能按N(周长)增长

边长翻倍,算力变4倍,但供应它的”管道”只变2倍。这个缺口越拉越大,光靠缩小晶体管根本解决不了。

3D Folding的方案:把这些原本挤在边缘的资源(内存、电源、光接口)搬到芯片的上下表面——这样它们就也变成按N²扩展了,重新匹配上计算的增长。

预测到2035年,AI硬件集成度将提升100倍以上。

论文最后提到一个很有意思的观察:存储和逻辑要重新融合了。

1980年代的8086时代,CPU和内存被刻意”解耦”——通过标准总线连接,让两个产业可以独立发展。这造就了英特尔(CPU)和三星/海力士(内存)两个独立帝国。

但AI时代正在逆转这个分工:HBM(高带宽内存)、混合键合、3D堆叠SRAM……都在把存储和计算重新挤在一起。这意味着产业链的话语权正在从”逻辑芯片厂商”转移到”存储和封装厂商”。

总结:这篇论文在说什么?

一句话版本:芯片行业不能再靠”把晶体管做小”进步了,应该改用”时间τ”作为新的统一衡量标准,通过三维堆叠、新型总线、光互连等技术,让整个系统更快——而不是单纯地让单个元件更小。

为什么重要:

  1. 这是华为给被卡脖子困境的一个技术回答——证明不靠最先进的光刻机,也能让芯片持续进步
  2. 提出了一个新的理论框架,可以指导未来10年的芯片设计
  3. 已经有实际产品验证(麒麟2026、昇腾系列),不是纸上谈兵
  4. 对整个半导体产业的战略布局有指导意义——以后竞争力可能不在最先进的工艺节点,而在封装、内存、互连技术

通俗类比:过去60年大家比的是”谁家砖头做得小”,现在何庭波说,咱们应该比的是”谁家盖的楼住进去最舒服、最便利”——砖头大小只是众多因素之一,更重要的是楼怎么设计、电梯怎么布置、水电怎么走线。

2纳米问题

简单说一下晶体管的结构:你可以把晶体管想象成一个水龙头。

  • 源极(Source):水从这里进来(电子流入)
  • 漏极(Drain):水从这里出去(电子流出)
  • 栅极(Gate):控制开关的旋钮,决定让不让水流过去

栅极长度就是这个”旋钮”覆盖在水管上的长度。越短,开关切换得越快,晶体管反应越灵敏。

工艺节点名称 实际栅极长度 实际最小线宽
22纳米 约26纳米 约80纳米
14纳米 约20纳米 约52纳米
7纳米 约18纳米 约36纳米
5纳米 约18纳米 约30纳米
3纳米 约18纳米 约24纳米
2纳米 约18纳米 约20纳米

所以2纳米实际栅极长度并非2纳米

现在的纳米数本质上是一个等效性能标签——意思是”这个工艺达到的性能、密度、功耗,相当于按老办法等比缩小到XX纳米时应该有的水平”。

目前存在的问题

  1. 底层制造工艺 LogicFolding再厉害,单层芯片本身还是要在某个工艺节点上制造。麒麟2026目前业界普遍认为是中芯国际的7纳米级工艺(N+2),而台积电、三星已经在量产3纳米、试产2纳米。

所以”在固定节点上提升55%” 和 “用更先进节点直接做出来” 是两码事。论文里反复强调”在固定节点下做到”,潜台词其实是承认了节点上的落后。

  1. 3D堆叠的物理限制:散热 何庭波说2035年达到”400 MTr/mm²”、”100倍集成度”,这建立在散热、良率、成本都能解决的前提下——这些都还没被验证。
  2. EDA工具链是个大坑

论文第6节自己也承认了:现有的EDA工具(芯片设计软件)不支持完整的3D设计。

EDA是芯片设计的”操作系统”,目前被新思科技(Synopsys)、Cadence、西门子EDA三家美国/德国公司垄断,华为被限制使用。要做出τ-native的3D EDA工具,难度不亚于做一个新的光刻机生态。

何庭波说”内部工具已有初步成果”——这是好消息,但距离成熟的、能让整个产业用的工具链还有相当距离。

  1. HBM和先进封装的供应链

AI芯片严重依赖HBM(高带宽内存)——这个市场被SK海力士、三星、美光三家韩美企业垄断,华为获取受限。

国产HBM(长鑫存储等)目前还在追赶HBM2/HBM2E水平,而国际先进已经到HBM3E、即将HBM4。这个差距在AI芯片上是致命的。

  1. 华为要想真正的突破封锁,需要全产业链的共同进步。
设计软件(EDA) → 芯片设计 → 制造设备 → 原材料 → 晶圆制造 → 封装测试
     ↑                ↑              ↑          ↑           ↑          ↑
   "画图工具"      "建筑师"       "施工机械"  "建材"     "工地"    "装修验收"
公司 主营方向 大致状况
华大九天 模拟电路全流程、数字电路部分 国内龙头,已上市,模拟领域接近国际水平
概伦电子 器件建模、电路仿真 已上市,在器件级有一定优势
广立微 良率分析、测试 已上市,细分领域有竞争力
芯华章 数字验证、形式验证 创业公司,融资活跃
国微思尔芯 原型验证 在硬件仿真领域有特色
合见工软 数字EDA全流程 上海国资背景,整合多家公司

按”重要性”做一个综合排序

如果只能挑最关键的5家(不分上市与否):

  1. 中芯国际 —— 没有它,所有先进国产芯片都造不出来
  2. 华为海思 —— 设计端的绝对天花板(虽然未上市)
  3. 长鑫存储 —— HBM突破直接决定国产AI芯片上限(虽然未上市)
  4. 长电科技 —— 3D先进封装时代的核心受益者
  5. 中微公司 —— 国产设备里技术含金量最高

如果要在可上市投资的范围内挑最重要的5家:

  1. 中芯国际(港股+A股科创板)
  2. 北方华创(A股)
  3. 中微公司(A股科创板)
  4. 长电科技(A股)
  5. 韦尔股份(A股)

安集科技:CMP抛光液龙头,美国卡过脖子,国产替代成功的典型案例。

沪硅产业:12英寸大硅片国产替代主力,所有芯片都需要的基础原材料。

江丰电子:半导体靶材,全球前列,台积电、Intel都是客户。

鼎龙股份:CMP抛光垫,技术壁垒极高,国产替代关键环节。

拓荆科技:薄膜沉积设备(PECVD等),先进工艺必需设备。

华海清科:CMP抛光设备(与上面的”抛光液”配套),先进工艺关键设备。